一种不落轮镟床防护罩侵限自动报警装置的研制

黄海鑫，黄 升，陈科良，梁 粮，梁建民

（南宁轨道交通运营有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

不落轮镟床作为轨道交通重要的工艺设备之一，可为电客车平稳运行提供重要保障，能进一步提高乘客在乘坐过程中的舒适感，是各地铁公司必不可少的工艺设备之一。作为高精度机床，其维护保养要求较高[1]，因此，不落轮镟床防护罩广泛应用于轨道交通中。

南宁地铁3号线不落轮镟床防护罩为封闭式结构，主体采用不锈钢结构、弧形顶、阳光板覆面，在股道线路方向两端设计有端门，防护罩顶盖为两扇弧形顶，通过电机控制开、合。南宁地铁3号线电客车高约3.5 m，公铁两用车高约2.6 m，镟床防护罩顶部（未打开状态）高约3.0 m，而镟床保护罩需要手动开启；在日常进行电客车镟削及测量作业时，需将电客车调至不落轮镟床工作区域。根据作业要求，调车作业前，首先要将防护罩的前后端门和顶盖打开，而防护罩顶盖位于股道上方高处，处于人的视觉盲区，而调车作业过程中，作业人员注意力往往集中在车轮与不落轮镟床对位上，因此不落镟床防护罩顶部盖门是否打开容易被忽略，属于危险源，若操作人员在调车作业前忽略了打开防护罩顶盖或顶盖打开不完全，都将引起防护罩顶盖侵入地铁线路限界，造成电客车与防护罩顶盖发生碰撞，存在安全作业风险。

因此，结合生产实际研制了一种不落轮镟床防护罩侵限自动报警装置，能有效提醒作业人员在电客车通过镟床前及时将防护罩打开，实现电客车与防护罩之间的联防联控功能，达到降低安全作业风险，有效避免因人为的不当操作引发安全事故的目的。

1 自动报警装置的设计思路

不落轮镟床所在库区无接触网，电客车无法自行提供动力，进行镟轮作业时需要公铁两用车进行调车作业。通常情况下公铁两用车高度比电客车低，即使在防护罩顶部未打开的情况下也能正常通行，而电客车高度比防护罩高，在防护罩顶部未打开到位的情况下不能正常通行，因此需要一种检测装置来判断电客车是否可以安全通过，若电客车已经运行至紧急停车区域但防护罩未打开到位，则能提醒作业人员将防护罩打开。

该不落轮镟床防护罩侵限自动报警装置（图1）的核心元件是光电传感器，其工作原理是通过遮挡光电传感器发出的光能量后通过光电效应改变电信号，原理如图2所示。因此，在紧急停车区域前端位置设计一组光电传感器，并在防护罩开位的位置安装限位开关以检测防护罩是否开启，只有同时满足光电传感器触发和限位开关未触发两个条件，声光报警装置才启动。

图1 防护罩设计

图2 报警装置的工作原理

2 自动报警装置的设计方案

本装置主要由电源转换器（220 V转24 V）、空气开关、24 V声光报警灯、24 V对射式（遮光式）光电传感器、机械式限位开关（防护罩）、24 V中间继电器组成。其实施的特征是：限位开关与光电传感器接收端、继电器、声光报警器串联，由限位开关控制整条回路电源的通断。光电传感器负责检测电客车车是否到达紧急停车区域，当检测到电客车时，光电传感器信号输出端输出24 V控制继电器线圈吸合，进而控制声光报警器报警，报警装置结构原理如图3所示。

图3 报警装置的结构原理

3 关键组成结构的安装布局

为达到电客车与防护罩之间联防联控目的，故将限位开关安装于防护罩顶盖开位处，用于检测防护罩是否侵限，当防护罩顶盖处于开位时，限位开关触发，回路电源断开；光电传感器安装于防护罩前紧急停车区域前端处，用于检测电客车是否到达紧急停车区域；当防护罩未处于开位时，电客车进入紧急停车区域触发光电传感器，声光报警器响起，提醒操作人员紧急制动，将防护罩打开。如图4所示。

图4 报警装置的结构布局

3.1 光电传感器安装位置的确定

光电传感器的安装位置应考虑列车制动距（S）及预留的安全距离（S1）。因此，光电传感器距离防护罩的最短距离为S0=S+S1，制动距离S可根据运动学公式来计算，其中αχ为受坡度、曲线阻力、风阻力等影响的减速度。列车制动距离公式经推导、简化后按式（1）计算：

式中：S为列车制动距离，m；V0为列车制动时的速度，m/s；VT为列车制动终点速度，m/s，TT=0；g′为受车轮转动惯量影响的车辆重力加速度，（m/s2）；±i为线路纵向坡度，下坡为“+”，上坡为“-”；△i曲为平面圆曲线的曲线阻力；r阻为列车单位阻力，N/kN；f风为地铁列车单位风阻力，N/kN；α为80～0 km/h在平坡上包括响应时间(列车空走行时间和制动建立时间)在内的常用制动平均减速度，m/s2；γ为潮湿轨面与干燥轨面粘着系数比。

南宁地铁3号线用B型车6辆编组，车长为118 m，空车质量200 t，24对车轴。线路无坡度，调车作业速度不得超过5 km/h。列车制动距离可参考表1[2]，按调车作业速度最高来计算，制动距离为0.95 m；安全距离预留5 m；因此，光电传感器距离防护罩的最短距离为为5.95 m。为避免人员行走以及公铁车单独作业时触发光电传感器，故其安装高度定为3 m。

表1 B型车6辆编组场/段内车辆常用制动距离

3.2 行程开关的选型

市面上常见的行程开关有滚珠摆杆型、盘簧型、顶部柱塞型、水平滚珠柱塞型、可调式棒式摆杆型、叉式摆杆锁定型。因防尘罩顶部盖门具有一定的弧度，打开时，盖门缘弧度轨迹移动，根据安装成本、安装难度、检修要求等综合考虑，滚珠摆杆型行程开关为最优（如图5所示）。

图5 滚珠摆杆型行程开关

4 功能测试

将该装置安装于南宁地铁3号线镟轮库内，分2种情景进行功能测试：（1）在无电客车通过情景下功能测试，（2）在有电客车通过情景下功能测试。试验结果如表2和表3所示。

表2 无电客车通过试验结果

表3 有电客车通过试验结果

工况1：防护罩未打开状态，不触发光电传感器，声光报警器未报警；人为触发光电传感器，声光报警器报警。

工况2：防护罩半打开状态，限位开关未被触发，不触发光电传感器，声光报警器未报警；人为触发光电传感器，声光报警器报警。

工况3：防护罩完全打开状态，限位开关被触发，不触发光电传感器，声光报警器未报警；人为触发光电传感器，声光报警器未报警。

工况4：防护罩完全打开状态，牵引电客车通过光电传感器，声光报警装置未触发。

工况5：防护罩未打开状态，限位开关未被触发，在保证安全情况下，以5 km/h速度牵引电客车前进，当光电传感器被触发时，声光报警装置响应，操作人员采取紧急制动措施，制动距离为0.95 m。

工况6：防护罩未打开状态，限位开关未触发，在保证安全情况下，以5 km/h速度牵引电客车前进，当光电传感器被触发时，声光报警装置响应，操作人员采取紧急制动措施，制动距离为0.94 m。

工况7：防护罩完全打开状态，为更加贴近实际，检验操作人员的灵敏性，在不告知操作人员情况下手动将限位开关干涉为不触发状态（正常情况下防护罩处于开位，限位开关为触发状态），以5 km/h速度牵引电客车前进，当光电传感器被触发时，声光报警装置响应，且操作人员能第一时间采取紧急制动，制动距离为0.97 m。

由上分析可知：

（1）防护罩在未打开或未打开到位的情况下，行程开关未触发，电客车触发光电传感器时报警装置自动报警，且制动距离在安全距离范围内，试验成功。

（2）防护罩在合位的情况下，行程开关未触发，电客车触发光电传感器时报警装置不报警，试验成功。

（3）为贴切实际，真实测试电客车触发光电传感器（工况7），操作人员可清晰听到报警装置报警，并在第一时间采取操作，且制动距离在安全距离范围内，试验成功。

5 结语

目前，该装置已应用于南宁地铁3、4、5号线，用于监控不落轮镟床防护罩侵限问题，实现了电客车与防护罩之间的联防联控功能，有效避降低了作业安全风险，并已申请专利。该装置结构、工作原理简单，成本低，安装难度不大，可推广应用于地铁自动化立体仓库等重要区域防侵限问题，可有效解决设备设或人员施侵限造成的安全事故及避免因侵限问题造成的重大经济损失。